УДК 621.375.4
Обоснование требований к усилителям в каналах связи миллиметрового диапазона волн и анализ путей их реализации
Матвийчук Е.Н., магистрант, ДонНТУ
Источник: Материалы Второй Международной научно-технической конференции "Проблемы телекоммуникаций", НТУУ "КПИ", Киев, 2008.
Рассмотрены принципы построения СВЧ-усилителей миллиметрового диапазона на основе интегральных микросхем (ИМС). Указаны основные требования к характеристикам усилителя и параметры компонентов устройства, определяющие их. Рассмотрены методы повышения устойчивости, сохранения широкополосности и снижения уровня шумов за счет совершенствования конструкции согласующих цепей и цепей развязки по питанию и смещению. В ходе исследования использованы результаты моделирования.
Вступление
Несмотря на стремительное развитие в последние годы проводных и в том числе волоконно-оптических средств связи, роль радиосистем неоценима при необходимости создания линии связи в труднодоступных районах, либо организации связи с подвижными абонентами. Одной из тенденций развития средств радиосвязи стало постепенное увеличение рабочей частоты. Современные системы предполагают использование частот в диапазоне до нескольких десятков ГГц. С одной стороны это позволяет увеличить скорость передачи информации и расширить круг работающих станций, а с другой – требует изучения и разработки новых подходов к построению устройств радиотракта.
Основная часть
В соответствии с теоремой Шеннона-Хартли, с целью повышения пропускной способности канала помимо увеличения полосы частот, занимаемой сигналом, необходимо стремиться к увеличению отношения сигнал-шум на входе приемника.
Исходя из этого, в качестве способа повышения помехоустойчивости, в современной технике связи применяются методы расширения спектра. Одно из главных требований, предъявляемое к техническим средствам таких систем является достаточная широкополосность, т.е равномерность характеристик (напр., коэффициента усиления) в полосе частот, достаточной для передачи полезного сигнала.
Отношение сигнал-шум представляет собой комплексный показатель, на который оказывают влияние как параметры устройств радиотракта, так и параметры линии связи. Кроме затухания в свободном пространстве, волны СВЧ диапазона испытывают резонансные поглощения молекулами кислорода и водяных паров атмосферы, а также поглощение в гидрометеорах. Поэтому первоочередной задачей при разработке средств радиосвязи СВЧ диапазона является обеспечение выходной мощности передатчиков, достаточной для компенсации потерь при распространении волны в пространстве, а также создание приемников, обладающих минимальным уровнем внутренних шумов, и способных принимать ослабленные сигналы.
Анализ структуры приемо-передающего тракта СВЧ [5] позволяет выявить ее элементы, влияющие на указанные параметры. Максимальная мощность сигнала на выходе передатчика определяется непосредственно мощностью СВЧ-усилителя выходного каскада.
Определяющее значение на коэффициент шума в многозвенной системе оказывают первые каскады, для приемников СВЧ – высокочастотные усилители. Таким образом, мощность внутренних шумов приемника, а значит и его чувствительность, напрямую зависит от коэффициента шума входного усилителя.
К усилителям как оконечных, так и входных каскадов устройств СВЧ предъявляются также высокие требования относительно линейности их характеристик, как к одному из параметров, влияющих на искажения сигнала.
При разработке коммерческих телекоммуникационных систем и сетей, предназначенных для широкого круга пользователей, одними из важнейших потребительских свойств переносных устройств является их мобильность, простота и удобство эксплуатации, минимальные габариты. Кроме того, необходимо стремиться обеспечить минимальную стоимость производства и эксплуатации, как залог высокой конкурентоспособности на рынке. Возможность налаживания автоматизированного процесса производства и отсутствие необходимости проведения настройки готового изделия открывает возможности для его широкого внедрения и построения массовых телекоммуникационных сетей.
Современные усилители СВЧ на основе полупроводниковых технологий способны развивать выходную мощность до нескольких десятков дБм на частотах до 50 ГГц, при этом их геометрические размеры сравнимы с длиной волны на рабочей частоте. Наиболее малошумящие из них имеют уровень собственных шумов до 3-4 дБ, что сопоставимо с уровнем внешних помех и поэтому является пределом целесообразного снижения шумов входных каскадов. Полупроводниковые компоненты СВЧ выпускаются, как правило, в виде ИМС, которые выполняют функции отдельных модулей и блоков. Это значительно облегчает сборку устройства, уменьшает его габариты, энергопотребление и стоимость.
Основные задачи, возникающие при использовании интегральных микросхем усилителей во входных и выходных каскадах аппаратуры СВЧ – обеспечение их согласования с соседними каскадами, а также создание качественных цепей развязки по питанию и смещению.
Важной характеристикой любого усилителя является его устойчивость. Поэтому цепи согласования по входу и выходу не должны приводить к существенному снижению инвариантного коэффициента устойчивости [1] и потери устойчивости усилителем в целом.
Входные и выходные сопротивления большинства ИМС усилителей лежат в диапазоне 30-100 Ом, поэтому их согласование с другими цепями, как правило, имеющими стандартное сопротивление 50 Ом, несколько упрощается. Цепи согласования в этом случае могут быть представлены в виде отрезка микрополосковой линии (МПЛ), который в данном случае играет роль как трансформатора сопротивлений [2].
В качестве примера рассмотрим микросхемы усилителей CHA2094B и CHA3093C, которые представляют собой малошумящий и мощный усилители, соответственно, рассчитанные на работу в диапазоне 20-40 ГГц. Коэффициенты усиления обеих микросхем в рабочем диапазоне составляют приблизительно 20 дБ.
Рис. 1. Частотная зависимость коэффициента усиления
При согласовании их входов и выходов с сопротивлением 50 Ом и последовательном соединении каскадов выходная мощность полученного усилителя может достигать 39 дБ (см. рис. 1). Не менее важным является тот факт, что частотная характеристика коэффициента усиления не имеет значительных провалов и всплесков. В данном примере цепи согласования рассчитаны для работы на верхних границах рабочего диапазона микросхем. Путем изменения параметров согласующих линий можно добиться достаточной ширины диапазона (3-5 ГГц и более) в окрестности рабочей частоты, в котором коэффициент усиления существенно не изменяется, повышая тем самым широкополосность устройства.
Большинство микросхем усилителей СВЧ состоят из нескольких последовательно соединенных каскадов. Это позволяет увеличить коэффициент усиления, но вызывает проблемы развязки при подаче напряжений питания и смещения. Взаимосвязь между собой выводов питания различных каскадов, вызванная использованием одного источника, может привести к возникновению паразитных обратных связей и потери устойчивости усилителем.
Еще одна проблема связана с внесением шумов неконтролируемыми источниками (как на рабочей частоте, так и на отличных от нее частотах). Шумы даже небольшой мощности, привнесенные в начальные каскады усиления, усиливаясь последующими каскадами, могут стать причиной возникновения интерференционных и интермодуляционных помех, спектры которых перекрывается со спектром полезного сигнала, и также снижения устойчивости [3].
Таким образом, цепи питания и смещения должны поглощать сигналы, которые поступают на выводы ИМС на частотах, близких к рабочей частоте, а также препятствовать распространению сигналов, которые поступают с выхода микросхемы. Это обеспечивается при минимальных значениях параметров S12 и S11 цепей развязки (а также S21 и S22, потому что такие схемы, как правило, симметричны). Безусловно, постоянная составляющая напряжения в цепи развязки должна претерпевать минимальное ослабление.
Следует также отметить, что на частотах ниже рабочей частоты и в ее окрестности крайне нежелательно наличие резких пиков частотных характеристик цепей питания и смещения. Неравномерность характеристик может стать причиной возникновения помех на частотах, составляющих десятки – сотни МГц и потери устойчивости усилителем.
Наиболее распространенный принцип организации цепей развязки заключается в последовательном соединении нескольких участков цепи, каждый из которых обеспечивает развязку в определенном диапазоне частот. При этом принципы построения отдельных участков могут отличаться.
Технологически, наиболее сложно изготовление участков цепей, обеспечивающих развязку в рабочем диапазоне частот, ввиду их очень малых размеров. Поэтому, как правило, они включены непосредственно в состав самой микросхемы. Входы питания и смещения ИМС являются, по сути, выходами данных цепей. Точность изготовления внутренних цепей питания и смещения обеспечивает, при правильной организации внешних участков цепей, хорошую развязку на рабочей частоте усилителя и в ее окрестностях.
Рис. 2. Цепи питания и смещения на примере ИМС RMWL38001
Наиболее очевидный способ организации внешних цепей питания и смещения предлагается производителями микросхем. На рис. 2 представлена схема цепи развязки на примере ИМС усилителя RMWL38001, предназначенной для работы в частотном диапазоне 37-40 ГГц. На рисунке видны внутренние цепи питания и смещения, представляющие собой LC и RC-фильтры, образованные элементами с распределенными параметрами, размеры которых составляют сотые доли миллиметра.
Рассмотрим внешнюю цепь развязки на примере цепи питания. Она состоит из параллельно включенных заземленных конденсаторов поверхностного монтажа, соединенных между собой и с выводами микросхемы с помощью тонких золотых проволок. Следовательно, цепь представляет собой двухзвенный низкочастотный LC-фильтр, причем непосредственно к микросхеме подключаются звенья, имеющие наибольшую частоту среза, а к источнику постоянного напряжения – наименьшую.
Несмотря на простоту и наглядность, данная схема имеет ряд недостатков. Необходимость использования достаточно большого количества внешних элементов с сосредоточенными параметрами, а также связь их с помощью тонких соединительных проволок может создать трудности при сборке устройства и увеличивает его стоимость. Как показывают опыты, на частоте 3-4 ГГц даже незначительное изменение положения навесного проводника существенным образом меняет его частотные характеристики. Очевидно, на частотах в 10 раз больших это влияние будет еще более существенным.
Кроме того, такие цепи имеют значительные размеры, а взаимное влияние соседних навесных проводников плохо предсказуемо. К тому же они могут быть причиной появления нежелательного электромагнитного излучения вокруг микросхемы. Как показывают исследования [4], необходимо стремиться к созданию цепей питания как можно меньших геометрических размеров и располагать их как можно ближе к микросхеме. Это позволяет улучшить устойчивость усилителя в целом и предотвратить его самовозбуждение.
Рис. 3. Общий вид упрощенной цепи развязки
Рассмотренную цепь можно изобразить упрощенно, представив конденсаторы в виде последовательно соединенных пластин с увеличивающимися площадями, расположенных над заземленным основанием (см. рис. 3). В пределе, уменьшая длины соединительных проводников до нуля, а также сглаживая форму пластин, получим МПЛ с изменяющимся по длине волновым сопротивлением, имеющую форму кругового сектора, центр которого является точкой соединения с микросхемой, а внешняя сторона – с источником питания (см. рис. 4).
Важно отметить, что размер линии (радиус сектора) определяется конструктивными особенностями устройства и может превышать длину волны, что упрощает его реализацию. Одним из наиболее подходящих диэлектриков является минеральная слюда, относительная диэлектрическая проницаемость которой составляет до 6-10. Минимальная толщина слюдяной пластинки, которая может быть реализована технологически, составляет десятые доли миллиметра.
Рис. 4. Цепь развязки на основе МПЛ в виде кругового сектора
Для обеспечения развязки на более низких частотах параллельно рассматриваемому секторному шлейфу должен быть подключен конденсатор поверхностного монтажа емкостью 100 пФ и более (см. рис. 4).
На основе моделирования в пакете Microwave Office установлено, что коэффициент передачи S21 такой цепи в диапазоне 30-50 ГГц составляет -50 … -60 дБ, что вполне достаточно для осуществления качественной развязки (см. рис. 5). Цепь может быть настроена на достижение минимума характеристики на определенной частоте путем изменения размеров (главным образом – радиуса) сектора.
Рис. 5. Зависимость коэффициента передачи от частоты
Следует отметить еще одно достоинство цепей развязки на основе МПЛ в виде круговых секторов – низкое взаимное влияние между рядом расположенными линиями. Как показывают результаты моделирования с учетом распределения электромагнитного поля, коэффициент передачи между входами двух цепей развязки, расположенных на расстоянии, соизмеримом с их геометрическими размерами составляет менее -200 дБ, что в данных условиях является пренебрежимо малой величиной.
Заключение
Важнейшими характеристиками аппаратуры современных каналов беспроводной связи, работающих в миллиметровом диапазоне волн, являются с одной стороны – мощность передатчика, а с другой – чувствительность и широкополосность приемника. Определяющее влияние на данные параметры системы оказывают усилители мощности выходных каскадов и малошумящие входные усилители соответственно.
В настоящее время существуют интегральные микросхемы, предназначенные для работы в частотном диапазоне вплоть до 70-80 ГГц, и при этом обеспечивающие коэффициент усиления на уровне 15 дБ и выше. Наиболее малошумящие из них имеют коэффициент шума в пределах 3-4 дБ. Ширина рабочей полосы таких усилителей составляет 8-10 ГГц.
Таким образом, потенциальные характеристики существующей материальной базы вполне удовлетворяют современным требованиям. Однако, в действительности, неидеальный характер внешних цепей (согласующих цепей и цепей развязки по питания и смещению) может стать причиной ухудшения характеристик усилителя в целом.
Как показывают результаты моделирования, простейшие цепи согласования в виде отрезков микрополосковых линий обеспечивают трансформацию входного и выходного сопротивления микросхем и при этом позволяют сохранить широкополосность устройства.
Недостатки, присущие цепям развязки по питанию и смещению, построенным на основе элементов с сосредоточенными параметрами (относительная сложность изготовления, возможность появления нежелательных наводок и помех и др.) могут быть в значительной степени решены, путем использования в качестве внешних цепей развязки распределенных микрополосковых цепей на основе неоднородных линий. В качестве топологии микрополосковой линии может быть использован круговой сектор либо треугольник. Линии такой формы обладают достаточной широкополосностью и теоретически повышают устойчивость усилителя.
Список использованной литературы:
1. Ключарев М.Ю. Малошумящие транзисторные усилители СВЧ: Учебное пособие. – М.: Изд-во МАИ, 1998. – 32 с.: ил.
2. Баскаков С.И. Радиотехнические цепи с распределенными параметрами: Учеб. пособие для вузов. – М: Высш. школа, 1980. – 152 с.
3. Руденко В.М., Малошумящие входные цепи СВЧ приемных устройств. – М.: Связь, 1971.
4. Y.Y. Wei, P. Gale and E. Korolkiewicz. Effects of Grounding and Bias Circuit on the Performance of High Frequency Linear Amplifiers http://www.mwjournal.com/article.asp?HH_ID=AR_4828. - Электрон. версия печ. публикации
5. Матье М., Радиорелейные системы передачи. – М.: Радио и связь, 1982.
